基于MPPSK调制的无线携能通信系统研究

摘要

当今时代，随着无线通信网络的飞速发展，网络能源消耗问题日趋严峻，不可再生能源的日趋减少、传统供能方式的资源利用率低等问题，很大程度上限制了无线通信网络的发展。无线携能通信技术（Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT）是无线通信技术与无线输能技术相融合的产物，该技术能够在传输信息的同时，完成能量的传输与收集，有效地缓解能源危机，为解决信息与能量的同时传输提供了可能，成为近年来研究的一个热点问题。本文在现有无线携能通信研究的基础上，进一步完善基于高效调制技术的SWIPT系统研究与设计，从远距离微波无线输能的角度出发，设计了一套完整的SWIPT系统电路结构，通过MPPSK(M-ary Phase Position Shift Keying，MPPSK)调制信号完成了信息解调与能量收集，实现了信息与能量的并行传输。
　　首先，概述了基于MPPSK调制的SWIPT系统体系结构，并对其核心模块的工作原理与设计思路进行了详细介绍。
　　其次，研究了MPPSK调制与解调原理，结合MPPSK信号的类正弦携能特性，对基于载波抑制的微带谐振相干解调方案进行了详细分析。分析了微波无线输能系统结构与能量传输效率，重点研究了其核心部分整流天线的实现原理与电路结构，为SWIPT系统的设计实现与性能分析提供了理论指导。
　　第三，根据调制解调理论与微波电路原理，对SWIPT接收系统各模块进行了详细设计。首先，基于小型化的需求，设计了一款四阵元矩形微带贴片天线，结合自由空间传输理论对天线的传输性能进行了分析。其次，设计了带有微带谐振相干解调电路的功率分配器，并对其功分效果与解调性能进行了仿真分析，结果表明该结构能够在准确完成功率分配的同时，借助微带谐振电路直接完成对MPPSK调制信号的解调，且不会对能量端产生影响，从而大大简化了接收机结构。最后，设计了一款适用于低输入功率条件下的微波整流电路，以平行耦合微带线带通滤波器作为输入滤波器，采用倍压整流结构，仿真表明当输入功率为3mW～40mW时，系统整流效率均在60％以上。
　　最后，对基于MPPSK调制的无线携能通信系统的信息传输速率与整流效率进行了分析比较，结果表明了采用多进制MPPSK调制的优越性。结合上述TH73，构建了完整的SWIPT系统架构，并对系统的信息解调性能与能量转换效率进行了仿真分析，结果验证了本文所设计的SWIPT系统结构的正确性与可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文主要内容及组织结构

第二章 无线携能通信技术理论基础

2．1 系统概述

2．2 高效调制与解调

2．2．1 MPPSK调制原理

2．2．2 MPPSK解调原理

2．3 无线能量传输系统

2．3．1 电磁感应耦合方式

2．3．2 电磁共振方式

2．3．3 远场辐射方式

2．4 接收机功率分配方案

2．4．1 功率分配方案

2．4．2 系统接收机模型

2．5 本章小结

第三章 微波无线输能系统分析与天线设计

3．1 微波无线输能简介

3．2 微波无线输能系统结构与效率分析

3．3 整流天线原理

3．4 微带收发天线设计

3．4．1 微带贴片天线原理

3．4．2 矩形微带贴片天线设计

3．4．3 四阵元矩形微带贴片天线设计与仿真

3．5 本章小结

第四章 无线携能通信接收系统设计

4．1 微带功率分配器设计与仿真

4．1．1 微带功率分配器基本原理

4．1．2 微带功率分配器仿真

4．2 微带带通滤波器设计与仿真

4．2．1 平行耦合微带线带通滤波器设计原理

4．2．2 平行耦合微带线带通滤波器仿真

4．3 低功率整流电路设计与仿真

4．3．1 整流电路设计

4．3．2 整流电路仿真分析

4．4 本章小结

第五章 基于MPPSK的携能通信系统仿真

5．1 MPPSK调制电路仿真

5．2 高效调制信号的携能特性分析

5．3 基于MPPSK的SWIPT系统电路仿真

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

作者简介